Klinische Chemie Harnstoff

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1 Ein Stoff, welcher im Harn in hoher Konzentration vorkommt (daher kommt zwar der Name, gemessen wird aber fast ausschliesslich im Blut). Abkürzungen: Urea, Bun (Blood Urea Nitrogen also Blut-Harnstoff-Stickstoff) Abb. 1: Der Harnstoff-Zyklus med. Labor 1

2 Kenntnisse & Wissen Phase 1b: (Wissen aus der Biochemie wird vorausgesetzt) Sie kennen die Grundlagen zu Harnstoff (Bildung, Ausscheidung, Abkürzungen, Unterschied Bun/Harnstoff). Sie wissen, wovon die Harnstoffkonzentration abhängig ist. Sie wissen Bescheid über die Stoffwechselstörungen des Harnstoffs. Sie können Harnstoffwerte interpretieren. Sie wissen, wann und wieso Harnstoff der bessere Nierenfunktionsparameter ist als das Creatinin und umgekehrt. Sie kennen die Messmethoden des Harnstoffs. Sie kennen die Bedeutung der Ammoniakbestimmung. Inhaltsverzeichnis: 1. Bildung und Ausscheidung von Harnstoff Die Bildung von Harnstoff Die Ausscheidung von Harnstoff Unterschied zwischen Harnstoff und BUN Bestimmungsindikationen von Harnstoff Erniedrigte Harnstoffkonzentrationen im Blut Erhöhte Harnstoffkonzentrationen im Blut Prärenale Ursachen Renale Ursachen Postrenale Ursachen Harnstoff und Creatinin im Vergleich Urease/GLDH Urease/Berthelot Ammoniakbestimmung med. Labor 2

3 A. GRUNDLAGEN 1. Bildung & Ausscheidung von Harnstoff: 1.1. Die Bildung von Harnstoff: Der Harnstoff ist das wichtigste Endprodukt des Proteinstoffwechsels. Die Synthese aus Ammoniak und Kohlendioxid erfolgt überwiegend in den Mitochondrien der Leberzellen (Harnstoffzyklus). Kleine Repetition: Aus den freiwerdenden AS beim Proteinabbau muss der entstandene Stickstoff entfernt werden. Dies geschieht in der Leber durch die oxidative Desaminierung, wobei Ammoniak (NH 3 ) entsteht. Ammoniak ist ein starkes Zellgift und ist physiologisch nur in sehr geringer Serumkonzentration nachweisbar. Er wird in der Leber sofort an CO 2 gebunden, woraus der ungiftige Harnstoff (H 2 N-CO-NH 2 ) entsteht, welcher über den Blutweg abtransportiert wird. Harnstoff ist ein kleines ungeladenes Molekül und da er wasserlöslich ist, kann er dann über die Nieren und den Darm eliminiert werden. NH 2 2 NH 3 + CO 2 C O + H 2 O H 2 N Abb. 2: Beim Proteinabbau entsteht unter anderem Ammoniak. In der Leber wird dieser sofort an CO 2 gebunden, woraus im Harnstoff-Zyklus schliesslich der ungiftige Harnstoff entsteht Die Ausscheidung von Harnstoff: a.) Renale Ausscheidung: Harnstoff wird von den Glomeruli der Nieren frei filtriert und ca % werden anschliessend in den Tubuli rückresorbiert; der restliche Anteil wird ausgeschieden. Da die tubuläre Rückresorption zusammen mit Wasser erfolgt, steigt die Harnstoffausscheidung mit der Urinmenge an (wird weniger Wasser rückresorbiert, wird auch weniger Harnstoff rückresorbiert). b.) Ausscheidung über den Darm: Ein kleiner Teil des Harnstoffs gelangt in den Darm. Der grösste Teil wird dort zu Kohlendioxid und Ammoniak abgebaut, welches wieder in die Leber gelangt. med. Labor 3

4 Die Harnstoffkonzentration ist somit abhängig von: der Nierenfunktion dem Proteingehalt der Nahrung der Leberfunktion dem Harnvolumen (erhöhte Rückresorption von Wasser und damit auch von Harnstoff bei Exsikkose) Bildung & Ausscheidung von Harnstoff: 2. Unterschied zwischen Harnstoff und BUN: Da gibt es praktisch keinen Unterschied. Bei der Bestimmung des BUNs wird nicht der Harnstoff, sondern nur der im Harnstoff enthaltene Stickstoff angegeben. BUN-Werte (in mg/dl) sind daher geringer als Harnstoffwerte. Die Bedeutung von Harnstoff- und BUN-Werten ist aber identisch. med. Labor 4

5 B. STOFFWECHSELSTÖRUNGEN 3. Bestimmungsindikationen von Harnstoff: Harnstoff (H 2 N-CO-NH 2 ) kann alle Zellmembranen frei durchqueren (permeieren), weil er ungeladen ist und eine niedrige Molekülmasse besitzt. Harnstoff verhält und verteilt sich wie Wasser überall im Körper. Die Harnstoffbildung ist der quantitativ wichtigste Biosynthesevorgang im menschlichen Körper. Aufschluss über die Filtrationsfunktion der Nieren geben u.a. die Creatinin- und Harnstoffkonzentration im Serum, da diese Substanzen bezüglich ihrer Ausscheidung auf funktionstüchtige Nieren angewiesen sind. Daher gehören Harnstoff und Creatinin zu den sogenannten harnpflichtigen Substanzen und werden als Suchtests zur Überprüfung der Nierenfunktion eingesetzt; sie dienen zudem als Kontrollparameter bei Dialysepatienten. Harnstoff wird zudem auch zur Überprüfung der Proteinzufuhr bestimmt. Bei den Erwachsenen werden die Referenzwerte gemäss ihres Alters sehr detailliert angegeben (siehe Packungsbeileger). Kinder und Schwangere haben aufgrund erhöhter Proteinbiosynthese (Wachstum) etwas tiefere Werte als Erwachsene. 4. Erniedrigte Harnstoffkonzentration im Blut: Erniedrigte Harnstoffkonzentrationen treten auf bei: niedriger Proteinzufuhr (Anorexie, langanhaltende Hungerzustände) erhöhter Proteinbiosynthese (Schwangerschaft, Kindheit) schweren Lebererkrankungen med. Labor 5

6 5. Erhöhte Harnstoffkonzentration im Blut (Azotämie): Erhöhter Harnstoff im Blutplasma findet sich aufgrund prärenaler, renaler oder postrenaler Ursachen: 5.1. Prärenale Ursachen: Vermehrter Proteinkatabolismus (es wird zu viel Protein abgebaut) infolge: - übermässige Eiweisszufuhr in der Nahrung (Bodybuilder) oder in Infusionen (wird manchmal auch als exogene Azotämie bezeichnet von aussen kommende) - Fieber (verstärkter Proteinabbau) - Strahlentherapie (Gewebe des Körpers wird zerstört) - Zytostatikabehandlung, z.b. mit Glukokortikoiden (Cortison: diese Stoffe fördern den Eiweissabbau) - Unfall-Trauma - Transfusionszwischenfall (massive Zerstörung der Ec Hämolyse) Verminderte Nierendurchblutung (dadurch wird weniger Harnstoff filtriert und ausgeschieden) infolge: - Herzinsuffizienz, Hypotonie - Austrocknung : starke Blutung, Erbrechen, Diarrhoe, Verbrennungen, mangelnde Flüssigkeitszufuhr 5.2. Renale Ursachen: Diese finden sich bei Nierenerkrankungen mit Einschränkung der glomerulären Filtrationsrate (GFR), also der Primärharnbildung, um mehr als 75%: - akutes Nierenversagen - Nephropathien (z.b. Glomerulonephritis, Pyelonephritis usw.) - nierentoxische Medikamente (z.b. Zytostatika) 5.3. Postrenale Ursachen: Hierbei liegen Abflussbehinderungen des Harns vor, es gibt einen Rückstau des Harns bis in die Nieren, die Nieren nehmen durch diese Stauung an Grösse zu und sind nicht mehr voll funktionstüchtig Harnstoff steigt im Blut an. - Nierensteine - Tumore - Vergrösserungen der Prostata Die Abflussbehinderungen werden jedoch meist frühzeitig behoben, bevor es zu einer ausgeprägten Harnstofferhöhung im Blut kommen kann. med. Labor 6

7 6. Harnstoff & Creatinin im Vergleich: Unabhängig von der Tatsache, dass die Harnstoffkonzentration stark von verschiedensten Einflüssen (Proteinzufuhr, -metabolismus, Urinmenge) abhängig ist, können wir vergleichend folgende Aussagen machen: Bei chronischer (ständiger) Einschränkung der Nierenfunktion ist die Creatininkonzentration stärker erhöht als die Harnstoffkonzentration. Grund: Das Creatininmolekül ist grösser als das Harnstoffmolekül und kann durch die eingeschränkte Funktion schlechter eliminiert werden, als das kleinere Harnstoffmolekül. Mit der Zeit steigt die Konzentration von Creatinin höher an als die des Harnstoffs. Bei akutem, vollständigem Nierenversagen ist der Harnstoff stärker erhöht als das Creatinin. Grund: Wenn über die Nieren nichts mehr ausgeschieden wird, so fällt pro Zeiteinheit mehr Harnstoff an als Creatinin, da im Organismus mengenmässig mehr Harnstoff synthetisiert wird als Creatinin. Harnstoff ist somit wesentlich mehr erhöht als Creatinin. Daher ist das Serumcreatinin ein besserer Funktionsparameter für die Filtrationsleistung der Niere als Serumharnstoff, denn das Serumcreatinin steigt schon bei einer Einschränkung der GFR unter 50% an (Harnstoff steigt erst bei einer Einschränkung der GFR um mehr als 75% an) Ausnahme: akutes Nierenversagen. GFR: Glomeruläre Filtrationsrate: Physiologisch werden in den Glomeruli pro Tag ca. 180l Plasma filtriert. Das ergibt eine glomeruläre Filtrationsrate von 125 ml/min. Makromoleküle (Proteine) und korpuskuläre Elemente werden dabei nicht filtriert. C. DIAGNOSTIK Harnstoff kann aus Serum, Plasma (kein Fluoridplasma) sowie aus Urin bestimmt werden. Häufige Methoden sind: Urease/GLDH: enzymatischer UV-Test (gekoppelt) Urease/Berthelot: enzymatischer Farbtest med. Labor 7

8 7. Urease/GLDH: a.) Messreaktion: Urease Harnstoff + 2 H 2 O 2NH HCO 3- b.) Indikatorreaktion: 2-Oxoglutarat + NH NADH GD L-Glutamat + NAD + + H 2 O Das Enzym Urease spaltet den Harnstoff. Mit Hilfe des Enzyms Glutamatdehydrogenase (GD/GLDH) wird das NADH zu NAD+ abgebaut. Die Abnahme der NADH-Konzentration ist direkt proportional zur Harnstoffkonzentration und wird bei 340nm gemessen. 8. Urease/Berthelot: 1. Reaktionsschritt: Urease Harnstoff + H 2 O 2NH 3 + CO 2 Das Enzym Urease spaltet vom Harnstoff Ammoniak ab. Dieses NH 3 reagiert mit Hypochlorit zu Chloramin, welches unter Anwesenheit von Natriumnitroprussid (= Katalysator) mit Phenol zu Indolphenolblau weiterreagiert. Die entstandene blaue Farbe ist der Harnstoffkonzentration proportional und wird zwischen 530 und 570 nm photometrisch gemessen (Phenol ist heute durch Salycilat ersetzt worden = modifizierte Methode: Harnstoff-S. Grund: Phenol ist sehr giftig, kann DNA denaturieren). Spezifität: Der erste Schritt ist sehr spezifisch, da das Enzym Urease nur Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid spalten kann. Der zweite Schritt (Berthelot- Reaktion) ist nicht sehr spezifisch, da auch Ammoniak aus dem Wasser und der Luft mitreagieren kann (z.b. nicht verschlossene Reagenzien). Die Berthelot- Reaktion im Weiteren ist sehr empfindlich gegenüber Ammoniumsalzen (unsaubere Glaswaren). 9. Ammoniakbestimmung: Der Ammoniakgehalt im Blut ist auch messbar und wird bestimmt z.b. bei: schweren Hepatopathien (Hepatitis, Leberzirrhose, Vergiftungen usw.) erblichen Enzymdefekten im Harnstoffzyklus Näheres dazu in der Phase 4. med. Labor 8